Διερεύνηση ιδιοτήτων ανίχνευσης ραδιενέργειας για χειροποίητους πλαστικούς σπινθηριστές από μίγμα πολυεποξικών και διαθέσιμων υγρών σπινθηριστών

Μυλωνάς, Δημήτριος Γ.; Mylonas, Dimitrios G.

dc.contributor.author	Μυλωνάς, Δημήτριος Γ.	el
dc.contributor.author	Mylonas, Dimitrios G.	en
dc.date.accessioned	2024-04-04T08:53:02Z
dc.date.available	2024-04-04T08:53:02Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59103
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26799
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Πολυεποξικές ρητίνες	el
dc.subject	Πλαστικοί σπινθηριστές	el
dc.subject	Υγροί σπινθηριστές	el
dc.subject	Φθοριστές	el
dc.subject	Ιοντίζουσα ακτινοβολία	el
dc.subject	Polyepoxides	en
dc.subject	Plastic scintillators	en
dc.subject	Liquid scintillators	en
dc.subject	Fluors	en
dc.subject	Ionizing radiation	en
dc.title	Διερεύνηση ιδιοτήτων ανίχνευσης ραδιενέργειας για χειροποίητους πλαστικούς σπινθηριστές από μίγμα πολυεποξικών και διαθέσιμων υγρών σπινθηριστών	el
dc.title	Investigation of radioactivity detection properties for DIY plastic scintillators made from mixing polyepoxydes and commercial liquid scintillation cocktails	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Πυρηνικά Μετρητικά Συστήματα	el
heal.classification	Nuclear Measurement Systems	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-10-29
heal.abstract	Έχει ήδη πραγματοποιηθεί σημαντική επιστημονική εργασία για την παραγωγή πλαστικών σπινθηριστών που βασίζονται στα πολυεποξικά, τα οποία είναι εμπορικά γνωστά ως εποξικές ρητίνες ή αραλδίτες (από την εταιρεία που πρώτη τα χρησιμοποίησε ως κόλλες). Ένα πολυεποξικό υλικό προκύπτει από την ανάμειξη ενός κατάλληλου πολυμερούς και ενός σκληρυντή. Τα μόρια αυτά, από τη στιγμή που θα αναμειχθούν, παράγουν μία κρυσταλλική δομή υψηλής αντοχής, η οποία ονομάζεται στα αγγλικά "cross-linked". Αυτή η κρυσταλλική δομή καταστρέφεται δύσκολα. Τα πολυεποξικά υλικά χρησιμοποιούνται στην πράξη κυρίως ως συγκολλητικά υλικά. Ο πολυμερισμός τους με τη βοήθεια του σκληρυντή συνήθως εξελίσσεται σε θερμοκρασία δωματίου και διαρκεί εύλογα μικρό χρόνο. Σε ό,τι αφορά στην ανίχνευση ιοντιζουσών ακτινοβολιών, τα πολυεποξικά υλικά χρησιμοποιούνται συνήθως ως οπτικές κόλλες μεταξύ φωτοπολλαπλασιαστών και κρυσταλλικών σπινθηριστών. Παρόλα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως ανιχνευτές ιοντιζουσών ακτινοβολιών διότι έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα όπως: (α) φωτοδιαπερατότητα, (β) δεν συρρικνώνονται κατά τον πολυμερισμό, όπως π.χ. συμβαίνει κατά τον πολυμερισμό του στυρενίου, (γ) δεν παράγουν θερμότητα κατά τη διαδικασία της σκλήρυνσης, (δ) είναι εύκολα στη διαχείριση και δεν απαιτούν ειδικές γνώσεις χημείας και (ε) παρουσιάζουν εγγενείς ιδιότητες φθορισμού. Τα υγρά μείγματα από πολυεποξικά, τα οποία δεν έχουν ακόμα σκληρυνθεί, μπορούν να χυτευθούν σε περίπλοκες γεωμετρίες με επαναλήψιμο τρόπο. Το τελικό αποτέλεσμα είναι πλαστικοί σπινθηριστές που παρουσιάζουν σταθερότητα στις διαστάσεις, δεν επηρεάζονται από τις υψηλές θερμοκρασίες, δεν επηρεάζονται από αλληλεπιδράσεις με συνήθεις διαλύτες ή άλλα χημικά και γενικά δεν ρηγματώνονται λόγω καταπονήσεων ούτε διαβρώνονται επιφανειακά. Από την άλλη πλευρά, το κυριότερο μειονέκτημά τους είναι ότι μεταδίδουν το φως με μικρό βαθμό απόδοσης και παρουσιάζουν μικρή διαλυτότητα σε ό,τι αφορά στους τυπικούς οργανικούς σπινθηριστές, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ενίσχυση της ικανότητάς τους να σπινθηρίζουν. Μιλώντας γενικά, σήμερα, όλοι οι τύποι των εμπορικά διαθέσιμων πλαστικών σπινθηριστών, συμπεριλαμβανομένων αυτών που κατασκευάζονται από πολυεποξικά κοστίζουν σημαντικά ανά μονάδα μάζας. Παρόλα αυτά, υπάρχουν ήδη από παλαιότερα οι σταθεροί και ασφαλέστεροι υγροί σπινθηριστές και οι πρόσφατες εξελίξεις σχετικά με πολυεποξικά, όπως το υγρό γυαλί, οι οποίες οδηγούν στον πειρασμό για την διερεύνηση των μειγμάτων τους ως χειροποίητους πλαστικούς σπινθηριστές σε εργαστηριακό περιβάλλον. Για το σκοπό αυτό το ΕΠΤ-ΕΜΠ, ξεκίνησε, στο πλαίσιο της παρούσης Διπλωματικής Εργασίας, μια ομάδα σχετικών δοκιμαστικών πειραμάτων χαμηλού επιπέδου, στα οποία δεν ενδιαφέρουν οι χημικές αλληλεπιδράσεις των συστατικών που χρησιμοποιήθηκαν. Τα μέχρι τώρα αποτελέσματα είναι υποσχόμενα ως εξής: (i) το πλέον κατάλληλο πολυεποξικό από αυτά που δοκιμάστηκαν φαίνεται να είναι το υγρό γυαλί, το οποίο επιπλέον φαίνεται να είναι και το πλέον διαφανέστερο στο φως, (ii) η ενσωμάτωση υγρών σπινθηριστών σε μεγάλα ποσοστά (~ 30%) στο υγρό γυαλί δεν φαίνεται να επηρεάζει αρνητικά τη διαδικασία σκλήρυνσης, (iii) δεν παρατηρείται ενοχλητική θερμοκρασία, ενοχλητικές συστολές και ενοχλητικές φυσαλίδες κατά την ανάμειξη και τη σκλήρυνση του μείγματος, (iv) η σκλήρυνση διαρκεί έως 48 h, (v) τα καταλληλότερα καλούπια χύτευσης βρέθηκαν ότι είναι αυτά από σιλικόνη μαγειρικής καθώς ανταποκρίνονται καλύτερα σε τυχόν αλλαγές σχήματος που παρατηρούνται κατά τη σκλήρυνση και δεν αλληλεπιδρούν με το πολυεποξικό. Σε ό,τι αφορά στις ιδιότητες ανίχνευσης ιοντιζουσών ακτινοβολιών από τις παραγόμενες γεωμετρίες, τα προκαταρκτικά πειράματά μας, με χρήση φωτοπολλαπλασιαστή, δείχνουν ότι οι πλαστικοί σπινθηριστές που δοκιμάστηκαν είναι, γενικά μιλώντας, ευαίσθητοι τόσο σε -γ όσο και σε -β ακτινοβολία. Επιβεβαιώθηκε και το αναμενόμενο ότι δηλαδή δεν έχουν γενικά φασματοσκοπικές δυνατότητες, χωρίς να αποκλείονται κάποιες εξαιρέσεις. Η αναλογία του υγρού σπινθηριστή που δοκιμάστηκε ως συστατικό των πολυεποξικών επιδιώχθηκε να είναι σημαντικά αυξημένη ώστε ο φθοριστής να βρίσκεται στην περιοχή του 1%. Ως αποτέλεσμα, η ενέργεια που αποτίθεται στους πλαστικούς σπινθηριστές αυτής της εργασίας από την ιοντίζουσα ακτινοβολία δεν απορροφάται μόνο από το κρυσταλλικό πλέγμα του πολυεποξικού αλλά και από τον περιεχόμενο υγρό σπινθηριστή. Επομένως, η διαδικασία σπινθηρισμού βασίζεται και στον υγρό σπινθηριστή και μάλιστα σε παρόμοιο βαθμό με τον τρόπο που αυτό γίνεται στις μετρήσεις υγρού σπινθηρισμού. Βρέθηκε ότι, ποιοτικά, για τους πλαστικούς σπινθηριστές που δοκιμάσθηκαν με πάχος 1", το παραγόμενο φως από αλληλεπίδραση με ιοντίζουσα ακτινοβολία ανήκει μερικώς στα μήκη κύματος UVA αλλά κυρίως στα μήκη κύματος φθορισμού. Αυτό διαπιστώθηκε με έκθεση των πλαστικών σπινθηριστών σε φως UV. Οι σπινθηριστές "απάντησαν" με φθορισμό στο ιώδες ορατό φάσμα. Οι δοκιμές των πλαστικών σπινθηριστών με ένα φωτοπολλαπλασιαστή κατάλληλο για ιωδιούχο νάτριο έδειξαν ότι το παραγόμενο φως "συνομιλεί" με την αντίστοιχη φωτοκάθοδο. Ο βαθμός απόδοσης που βρέθηκε για μια σημειακή πηγή Sr-90 και έναν πλαστικό σπινθηριστή πάχους 1" είναι κοντά στο 10%, ενώ ο βαθμός απόδοσης για μια σημειακή πηγή Cs-137 είναι κοντά στο 1%. Η εργασία εστίασε και στη διερεύνηση των παρακάτω: (1) μεγιστοποίηση της αναλογίας του υγρού σπινθηριστή, (2) ελαχιστοποίηση του όγκου του πλαστικού σπινθηριστή στη μορφή δίσκων διαμέτρου ~4 cm και συνολικού όγκου έως 3 cm3, όπως συστήνεται για την καταπολέμηση της εξασθένησης του παραγόμενου φωτός, (3) διερεύνηση πιθανών φασματοσκοπικών δυνατοτήτων για τις δισκοειδείς γεωμετρίες πλαστικών σπινθηριστών και (4) προτάσεις σχετικά με την πρόσθεση ανόργανων σπινθηριστών στο μείγμα σε πολύ μικρές αναλογίες, έτσι ώστε να μην καταστραφεί η διαφάνεια του πλαστικού σπινθηριστή. Ειδικά σε ό,τι αφορά στους ανόργανους σπινθηριστές, τα σχετικά πειράματα μπορεί να αποδειχθούν πολύ παραγωγικά, διότι αυτοί μπορούν να ενισχύσουν την ανίχνευση με δύο κυρίως τρόπους: με την αύξηση της πυκνότητας του μείγματος, η οποία ενισχύει τις πιθανότητες αλληλεπίδρασης των ιοντιζουσών ακτινοβολιών με τον ανιχνευτή και με την παροχή πυρήνων - στόχων με κατάλληλη μεγάλη μικροσκοπική διατομή αλληλεπιδράσεων που παράγουν φως. Σε αυτήν την εργασία η σχετική σύντομη συζήτηση εστιάζει στον ανόργανο σπινθηριστή ZnS(Ag), ο οποίος είναι γνωστό ότι αλληλεπιδρά με -α και -β σωματίδια. Αν λοιπόν υπάρχει μέσα στον πλαστικό σπινθηριστή κατάλληλη ποσότητα ZnS(Ag) ομογενώς διανεμημένη, αναμένεται ότι αυτό θα ενισχύσει τον βαθμό απόδοσης ανίχνευσης -α και -β σωματιδίων. Ειδικά για τα -α σωματίδια πλαστικοί σπινθηριστές χωρίς ZnS(Ag) δεν μπορούν να τα ανιχνεύσουν. Αναμένεται ότι πλαστικοί σπινθηριστές με ZnS(Ag) θα μπορούν να τα ανιχνεύσουν αν τα -α σωματίδια αλληλεπιδράσουν με την επιφάνειά τους, διότι ασφαλώς δεν μπορούν να διασχίσουν τον όγκο του πλαστικού για να αλληλεπιδράσουν σε βάθος. Συμπερασματικά, η παρούσα διερεύνηση έγινε για να προστεθεί επιπλέον γνώση σχετικά με τους πλαστικούς σπινθηριστές με δοκιμές προσφάτως ανεπτυγμένων πολυεποξικών σε μίξη με μεγάλες αναλογίες υγρού σπινθηριστή. Το ελάχιστο προσδοκώμενο αποτέλεσμα ήταν να επιτευχθεί μέτρηση ολικής -β και ολικής -γ ακτινοβολίας σε όσο το δυνατόν πιο βέλτιστες συνθήκες. Βεβαίως μίξεις πολυεποξικών με υγρούς σπινθηριστές έχουν γενικά δοκιμαστεί αλλά όχι σε μεγάλη έκταση, διότι προτιμάται η μίξη να γίνεται απευθείας με τους φθοριστές των υγρών σπινθηριστών. Τυχόν επόμενη διερεύνηση στο μέλλον μπορεί να εξετάσει ως μέθοδο παραγωγής τέτοιων πλαστικών σπινθηριστών την εξώθηση (extrusion) αντί για τη χύτευση. Αυτού του είδους η τεχνική προσέγγιση δοκιμάζεται ήδη και σε άλλα εργαστήρια. Επιπλέον δοκιμάζονται και φιλμ από πλαστικούς σπινθηριστές. Οι μέχρι στιγμές δοκιμές δεν έχουν, όπως φαίνεται, συμπεριλάβει πολυεποξικά που δοκιμάστηκαν σε αυτή τη Διπλωματική Εργασία. Τέλος, η ρητινοειδής χαρακτήρας αυτού του είδους των πλαστικών σπινθηριστών θα μπορούσε να οδηγήσει και σε μία τρίτη μέθοδο παραγωγής, την 3D εκτύπωση στην επιθυμητή γεωμετρία με πολύ οικονομικά κόστη.	el
heal.abstract	Considerable work has been committed for the production of plastic scintillators based on polyepoxydes (commercially known as epoxy resins or araldites). Polyepoxydes are obtained by mixing two components: a prepolymer (or binder), and a curing agent (or hardener). These two molecules, once mixed, give a highly cross-linked network, hard to break and destroy. All such epoxy resins share the same practical use: they are good glues and readily polymerize at room temperature within short time. This is why their main application in radiation detection is not as a scintillator matrix but as an optical glue between scintillation crystals and photomultipliers. However, there has been considerable success building on the known main advantages of such polymer systems, namely: (a) light transparency and / or translucency, (b) limited shrinkage on epoxy polymerization especially in comparison to that of styrene, (c) considerably smaller exothermic hardening, (d) easy handling, no advanced chemical knowledge needed and (e) some inherent fluorescence capabilities. The resulting liquid mixtures have been found to be easily cast into complex and reproducible shapes, before hardening begins. Such plastic scintillators have dimensional stability, resistance to high temperature and to chemical or usual solvents attack and essentially no tendency to stress crack or surface craze. On the other hand there seems to exist a major limitation: a low UV transmission, and poor solubility of classic scintillating agents. Currently, and generally speaking, all types of commercially available plastic scintillators, including those from epoxies, cost considerably per unit mass. However, the since long existence of stable and safer liquid scintillation cocktails and the recent developments of epoxies like liquid glass, tempt towards investigating of their mixtures as plastic scintillators in DIY laboratory environments. In the course of this Diploma Dissertation, the Nuclear Engineering Laboratory of NTUA, a relevant set of low level experiments, where the inside chemistry of all components is considered as black box. The so far results are promising as it follows: (i) transparent (clear) liquid glass epoxies seem to be most suitable as compared to other araldites, (ii) integration of liquid scintillators in considerable percentages (~ 30%) in liquid glass does not seem to interfere with the curing process, (iii) temperature, shrinkage and bubbles during mixing and curing are minimum, (iv) curing is accomplished within 48 h, and (v) curing molds of rubber (kitchenware) silicon seem to be more suitable in as much they respond better to any shrinkage during hardening and they do not interact with the epoxy. From the detection side of the story, our early experiments, using a photomultiplier, show that the produced plastic scintillators are, generally speaking, both -γ and -β sensitive but, as usually expected, they are not capable of spectroscopy. However, there were some spectroscopic findings during tests. Τhe scintillator cocktail mass tested is severely increased, in order to achieve a fluor content at least 1%. The energy deposited by ionizing radiation is not only absorbed by the polymer matrix. The scintillation process relies also on the cocktail itself, pretty close to what happens in liquid scintillation. For a 1" thick plastic scintillator detector interacting with ionizing radiation the produced light is partly at the UVA but mainly at the fluorescent spectrum as readily established using illumination by UV source. Testing these plastic scintillators with a photomultiplier suitable for sodium iodite crystals demonstrated that produced light resonates with the wavelength suitable with its photocathode. The efficiency achieved for a Sr-90 point source for a plastic scintillator of 1" thickness is close to 10%, while the efficiency for Cs-137 point source with the same detector is estimated around 1%. In summary, this work further focused on the investigation of the following: (1) maximize the liquid scintillation cocktail load, (2) minimize the detector volume to disks of ~ 4 cm in diameter and total volume of 3 cm3, as per the most common geometry to counter fight light quenching, (3) investigate possible spectroscopic capabilities of the disk geometries configurations and (4) consider adding inorganic fluors in minimum quantities so as not to destroy transparency or translucency. Adding inorganic fluors is particularly attractive as it complements the detection in two main ways: increasing of density to increase ionizing radiation interactions with the detection system and providing target nuclei known to have a large cross section towards a specific radiation type. In this work the inorganic fluor to be briefly discussed is ZnS(Ag), known to be capable of interacting with -α and -β particles. ZnS(Ag) being homogeneously distributed within a polyepoxide is expected to enhance -β detection. Regarding -α detection, it is well known that plastic scintillators without any ZnS(Ag) would not detect -α particles. However, -α detection might be improved with ZnS(Ag), if -α particles interact with the detector surface; -α particles present very low penetration range in hardened epoxy and would not interact with the detector volume. Overall, the present investigation aimed to add to the existing knowledge with testing recently developed polyepoxydes mixed with high loads of liquid scintillation cocktail as the fluorophore; the modest anticipated outcome was to efficiently measure total -β and total -γ activity, when all is done for an optimized scintillator-to-polyepoxyde mass ratio and for an optimized generally accepted geometry. Scintillation cocktails fluorophores have been previously tested for plastic scintillators called sol gels but not for polyepoxydes. The general tendency is that the epoxy could be mixed only with a fluor like the ones contained in liquid scintillators. Future work could investigate extrusion instead of molding of the suggested plastic scintillators mixtures. Such approaches for similar mixtures are already being investigated elsewhere. Film plastic scintillators testing is another interesting future field, in which development is already in progress but has not engaged polyepoxydes yet. Finally, it seems to our team, that the resin-like characteristics of the investigated plastic scintillators may lead to the production of appropriate resins capable of 3D printing any detector geometry at affordable costs.	en
heal.advisorName	Πετρόπουλος, Νικόλαος	el
heal.advisorName	Petropoulos, Nick	en
heal.committeeMemberName	Πετρόπουλος, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Αναγνωστάκης, Μάριος	el
heal.committeeMemberName	Ρούνη, Παναγιώτα	el
heal.committeeMemberName	Petropoulos, Nick	en
heal.committeeMemberName	Anagnostakis, Marios	en
heal.committeeMemberName	Rouni, Panagiota	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Πυρηνικής Τεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	106 σ.
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false